KR101332488B1 - 유도 결합 파워 전달 시스템 - Google Patents

Abstract

유도 결합 파워 전달 시스템은 비대칭 자기 투과성 코어(103, 105, 106, 107)를 이용하는 파워 픽업을 구비한다. 이러한 코어는, 그 코어 상에 제공되는 1차 도전 경로로부터 2차 코일(104)로 파워를 전달할 때, 소정의 손실 및 코어 볼륨에 대한 출력 파워를 상당히 증가시킨다.

유도 결합, 코어, 도전 경로, 출력 파워, ICPT

Description

유도 결합 파워 전달 시스템{INDUCTIVELY COUPLED POWER TRANSFER SYSTEM}

본 발명은 전반적으로 유도 결합 파워 전달 시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 트랙을 따라 이동하는 차량용의 유도 결합 파워 전달 시스템에 유용할 수 있다.

유도 결합은 도전체들 간의 물리적 접속을 필요로 하지 않고 결합 도전체들에 대해 파워를 전달할 수 있는 방법들 중 하나로 알려져 있다. 이러한 유도 결합의 한가지 애플리케이션이 트랙을 따라 달리는 이동 차량에 파워를 제공하는 것이다.

도 1 및 도 2는 공지의 유도 결합 파워 전달(ICPT) 시스템을 개략적으로 나타내고 있다. 도 2는 이러한 시스템의 단면도이다. 1차 코일 또는 도전 경로(1)는 전형적으로 약 5-50kHz의 초저주파(VLF)로 교류를 전달한다. 이러한 1차 코일(1)은 두 이격측(1a, 1b)을 따라 연장하는 제1 및 제2 도전체를 구비하고 있다. 이러한 시스템의 파워 픽업은 자기 투과성 코어(3)(바람직하게는 강자성 코어) 주위를 감고 있고 1a, 1b 사이에 위치한 2차 코일(2)을 포함한다. 강자성 코어는 1차 코일(1)로부터의 자속을 모으고, 전위는 2차 코일(2)의 단자를 따라 생성된다. 2차 코일은 일반적으로 직렬 또는 병렬 커패시터에 의해 동조된다. 이 전위는 그 후 정류되어 필요로 하는 전압으로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 강자성 코어(3)는 E자 모양이다. 이와 달리, H자 모양의 코어가 이용될 수도 있다.

강자성 코어(3) 및 코일(2)은 1차 코일(1)의 경로를 따라 트랙 위를 이동할 수 있는 전기 차량, 또는 한 세트의 1차 코일(1) 상에 배치될 수도 있다. 2차 코일(2)로부터의 출력은 차량에 동력을 제공하는데 이용될 수 있다. 미국 특허 제5,293,308호(Boys 등)에는 전기 차량용의 ICPT 시스템에 대해 개시되어 있으며, 상기 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조결합되어 있다.

유도성 파워 전달이 갖는 한가지 문제점은 직접적인 물리적 접속을 수반하는 파워 전달 방법에 비해 비교적 큰 손실이 발생한다는 점이다. 이러한 손실은 장치의 운영 비용을 증가시킨다. 따라서, 이러한 손실을 줄이는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은, 기존 시스템에 비해 손실이 줄어든 ICPT 시스템 또는 ICPT 시스템 픽업(ICPT system pick-up)을 제공하거나, 적어도 일반인들에게 유용한 대안을 제공하는 것이다.

문맥상 명확히 다르게 표현되지 않는 한, 본 명세서에서 "포함하고", "포함하는" 등과 같은 용어는 배타적인 의미가 아닌 포괄적인 의미, 즉 "포함하지만, 이에 국한되지는 않음"이라는 의미로 해석되어야 한다.

발명의 개요

본 발명의 일 측면에 따르면 비대칭 자기 투과성 코어를 포함하는 ICPT 시스템 픽업이 제공된다.

일 실시예에서, 코어는, 제1 및 제2 단부를 갖는 제1 아암(arm), 제1 아암에 실질적으로 수직한 방향으로 제1 단부에서 또는 제1 단부 가까이에서 제1 아암으로부터 연장하는 제2 아암, 및 제2 아암의 반대 방향으로 제2 단부에서 또는 제2 단부 가까이에서 제1 아암으로부터 연장하는 제3 아암을 포함한다.

코어는 제1 아암에 평행하게 제2 아암으로부터 연장하고, 제1 및 제2 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제4 아암을 더 포함한다.

또한, 제3 아암에 평행하게 제1 아암으로부터 연장하고, 제1 및 제3 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제5 아암이 제공될 수도 있다.

이와 달리 또는 추가적으로, 제1 아암에 평행하게 제3 아암으로부터 연장하고, 제1 및 제3 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제5 아암이 제공될 수 있다.

바람직하게, 픽업은 코어의 제1 아암 주위에 감겨 있는 2차 코일을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 파워 소스에 접속가능한 1차 도전 경로 - 상기 1차 도전 경로는 상기 파워 소스로부터 교류를 공급받고, 전기 에너지를 공급하는데 이용되며, 상기 경로를 따라 연장하고 이격되어 있는 제1 및 제2 도전체를 구비함 - ; 및 자기 투과성 코어 주위에 제공되는 2차 코일 - 상기 2차 코일은 유도 결합을 통해 1차 도전 경로로부터 전기 에너지를 공급받는데 이용됨 - 을 구비한 픽업을 포함하는 ICPT 시스템이 제공되며, 적어도 2차 코일이 1차 도전 경로에 결합될 때, 강자성 코어는, 제1 및 제2 도전체 사이에서 연장하고 제1 및 제2 단부를 갖는 제1 아암, 이 제1 아암에 실질적으로 수직한 방향으로 제1 단부에서 또는 제1 단부 가까이에서 제1 아암으로부터 연장하는 제2 아암, 및 이 제2 아암의 반대 방 향으로 제2 단부에서 또는 제2 단부 가까이에서 제1 아암으로부터 연장하는 제3 아암을 포함한다.

바람직하게, 코어는 하나 이상의 추가 아암을 포함하여 코어의 일부가 제1 및 제2 도전체 중 적어도 하나의 주위에서 U자 모양을 규정하게 한다.

이와 달리 또는 추가적으로, 코어는 하나 이상의 추가 아암을 포함하여 코어의 일부가 제1 및 제2 도전체 모두의 주위에서 U자 모양을 규정하게 한다.

또한, 제1 아암에 평행하게 제2 아암으로부터 연장하고, 제1 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제4 아암이 제공될 수도 있다.

코어는 제3 아암에 평행하게 제1 아암으로부터 연장하고, 제2 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제5 아암을 더 포함할 수 있다.

이와 달리 또는 추가적으로, 제1 아암에 평행하게 제3 아암으로부터 연장하고, 제2 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제5 아암이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 파워 소스에 접속가능한 1차 도전 경로 - 상기 1차 도전 경로는 파워 소스로부터 교류를 공급받고, 전기 에너지를 공급하는데 이용되며, 제1 축을 따라 연장하고 제1 및 제2 측면을 규정하는 이격 도전체를 구비함 - ; 및 자기 투과성 코어 주위에 감겨 있는 2차 코일 - 상기 2차 코일은 유도 결합을 통해 1차 도전 경로로부터 전기 에너지를 공급받는데 이용됨 - 을 구비한 픽업을 포함하는 ICPT 시스템이 제공되며, 강자성 코어는 제1 및 제2 측면 사이에서 연장하고, 제1 및 제2 측면의 도전체를 지나는 면을 가로질러 연장하는 가상 면 주위에서 비대칭인 제1 아암을 포함한다.

바람직하게, 코어는 3개, 4개 또는 5개의 아암을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 코어는 도전체 중 적어도 하나의 주위에서 U자 모양을 규정하도록 하는 형상이다.

이와 달리 또는 추가적으로, 코어는 도전체 모두의 주위에서 U자 모양을 규정하도록 하는 형상이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 바에 따른 ICPT 시스템 픽업을 포함하는 차량이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 바에 따른 ICPT 시스템에 의해 파워가 공급되는 차량이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면들은 단지 예로서 제공되는 다음의 상세한 설명을 통해 알 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 공지의 유도 결합 파워 전달 시스템의 일부를 개략적으로 나타내는 도면.

도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 강자성 코어의 4개의 실시예들을 나타내는 도면.

이제, 첨부된 도면을 참조하여 적어도 현 시점에서 고려될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유도 결합 파워 전달(ICPT) 시스템(100)의 일부 단면을 개략적으로 나타내고 있다.

이 ICPT 시스템(100)은 페이지 안팎으로 연장하는 도전체부(101a 및 101b)를 구비한 1차 도전 경로를 포함하고 있다. 1차 도전 경로는 ICPT 시스템(100)에 파워를 공급하는 교류 소스(도시되지 않음)에 접속된다. 제1 및 제2 도전체부(101a 및 101b)는 적절한 지지 구조(도시되지 않음)에 의해 지지되고 있다.

픽업은 강자성 코어(103) 주위, 보다 구체적으로는 강자성 코어(103)의 제1 아암(103a) 주위를 감고 있는 2차 코일(102)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 아암(103a)은 2차 코일(102)의 도전체가 감기는 오목부(104)를 포함할 수 있다. ICPT 시스템(100)이 1차 도전 경로로부터 2차 코일(102)로 파워를 전달하는 시간 동안에는, 제1 아암(103a)이 도전체 101a와 101b 사이에 위치하고, 바람직하게는 도전체 101a와 101b 중앙에 위치한다.

한편, 공지의 회로와 방법을 이용해 이 픽업의 2차 코일로부터 파워를 얻을 수 있다. 2차 코일은 커패시터에 의해 동조되고, 필요로 하는 전압으로 정류 및 전환될 수 있다. 이를 구현하는 적절한 회로들이 미국 특허 제5,293,308호에 개시되어 있다.

강자성 코어(103)는 제1 아암(103a)의 맞은편 단부로부터 반대 방향으로 연장하는 제2 아암(103b) 및 제3 아암(103c)을 포함한다. 기존에 이용되어 왔던 E자 모양과 H자 모양의 강자성 코어와는 달리, 강자성 코어(103)는, 제1 및 제2 측면 사이의 중간 지점을 통해 연장하고 1차 도전 경로가 위치한 면을 횡단하는 BB면에 대해서 비대칭이다.

또한, 강자성 코어(103)는 1차 도전 경로를 따르는 트랙(도시되지 않음)을 따라 이동하는 차량(도시되지 않음)에 제공될 수도 있다. 이 이동을 수용하기 위해, 1차 도전 경로의 지지 구조와, 강자성 코어(103)의 지지 구조는 강자성 코어(103)가 1차 도전 경로의 지지 구조를 클리어(clear)하게 적절한 모양일 필요가 있다.

도 4 내지 도 6은 3개의 다른 강자성 코어(105, 106 및 107)를 보여주고 있다. 1차 도전 경로가 그대로이지만, 각각의 다른 강자성 코어에 대해, 강자성 코어를 1차 도전 경로를 따라 이동시킬 수 있도록 1차 도전 경로와 강자성 코어의 지지 구조를 상이하게 하여야 할 것이다. ICPT 시스템의 2차 코일이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있지 않지만, 실제로는 제1 아암(103a) 상에 제공된다.

구체적으로, 도 4를 참조하면, 강자성 코어(105)는 강자성 코어(103)의 제1 내지 제3 아암(103a-103c)과 동일한 구성의 제1, 제2 및 제3 아암(105a-105c)을 포함한다. 또한, 강자성 코어(105)는 제2 아암(105b)의 단부로부터 제1 아암(105a)에 평행하게 연장하는 제4 아암(105d)을 더 포함한다. 제1 아암(105a), 제2 아암(105b) 및 제4 아암(105d)이 함께 도전체부(101a) 주위에서 U자 모양을 형성한다.

도 5를 참조하면, 강자성 코어(106)는 강자성 코어(105)의 제1 내지 제4 아암(105a-105d)과 동일한 구성의 제1, 제2, 제3 및 제4 아암(106a-106d)을 포함한다. 또한, 강자성 코어(106)는 제1 아암(106a)에 평행하게 연장하는 제5 아암(106e)을 더 포함한다. 제1 아암(106a), 제3 아암(106c) 및 제5 아암(106e)이 함께 도전체부(101b) 주위에서 U자 모양을 형성한다.

도 6을 참조하면, 강자성 코어(107)는 강자성 코어(105)의 제1 내지 제4 아암(105a-105d)과 동일한 구성의 제1, 제2, 제3 및 제4 아암(107a-107d)을 포함한다. 또한, 강자성 코어(107)는 제2 아암(107b)의 단부로부터 제3 아암(107c)에 평행하게 연장하는 제5 아암(107e)을 더 포함한다. 제1 아암(107a), 제3 아암(107c) 및 제5 아암(107e)이 함께 도전체부(101b) 주위에서 U자 모양을 형성한다.

2개의 추가 실시예에서는, 아암(107d)이 도 6에 도시되어 있는 강자성 코어로부터 생략되거나, 아암 107d와 107b 모두가 생략될 수도 있다.

2차 코일(104)은 강자성 코어(105-107)의 제1 아암 상에 감기는 것이 바람직하다. 제1 아암은 2차 코일(104)을 수용하는 오목부를 포함할 수도 있다.

전술한 설명 및 도 3 내지 도 6으로부터, 강자성 코어(103, 105, 106 및 107) 모두가 비대칭인 점을 알 수 있다. 구체적으로 말하면, 이러한 코어들은 1차 도전 경로를 양분하는 가상의 면 주위에서 비대칭인 것으로 간주될 수 있다. 이러한 강자성 코어들의 비대칭 특성은, 1차 도전 경로로부터 2차 코일(104)로 파워를 전달할 때 소정의 손실 및 코어(예컨대, 페라이트(ferrite)) 볼륨에 대한 출력 파워를 증가시킨다, 바꿔 말하면, 2차 코일(104)로부터 동일한 파워 출력을 얻는데 필요한 1차 도전 경로로의 파워 입력을 줄인다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 강자성 코어(103, 105-107) 각각이 단일의 집적된 컴포넌트이다. 이와 달리, 강자성 자기 코어는 서로 인접하거나 그 사이에 작은 공극(air gap)을 갖는 둘 이상의 부분을 포함할 수도 있다. 강자성 코어가 복수 부분으로 제공되면, 한 부분은 이동 차량 상에 제공되고, 나머지 부분은, 1차 도전 경로의 적어도 일부, 바람직하게는 유도 파워 전달이 발생할 1차 도전 경로의 전체 길이를 따라 연장하고 1차 도전 경로 옆에 고정 배치된다.

강자성 코어(103, 105-107)가 그 동작에 영향을 주지 않고 역으로 될 수도 있다는 점을 또한 알 것이다.

또한, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 도 3 내지 도 6에 도시되어 있는 강자성 코어의 모양을 바꿀 수 있다. 예컨대, 그 아암들은 상이한 길이나 모양일 수 있지만, 전술한 바와 같은 강자성 코어의 비대칭 특성은 유지되어야 한다. ICPT 시스템으로부터 그 파워의 일부 또는 전부를 공급받는 차량들은 본 발명을 이용하여 동작 효율을 개선할 수 있다.

전술한 설명에서는 특정한 컴포넌트나 등가물을 갖는 본 발명의 완성체에 대해 설명하였지만, 이러한 등가물은 본 명세서에서 개별적으로 개시된 것으로 간주되어야 한다.

가능한 실시예들을 참조하고 예를 들어 본 발명을 설명하였지만, 당업자들이라면 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같이 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고서 다양한 수정이나 개선을 행할 수 있다는 점을 알 것이다.

Claims (22)

1. 삭제
2. 비대칭 자기 투과성 코어(asymmetric magnetically permeable core)를 포함하는 ICPT 시스템 픽업(ICPT system pick-up)으로서,

   상기 코어는, 제1 및 제2 단부를 갖는 제1 아암(arm), 상기 제1 아암에 수직한 방향으로 상기 제1 단부에서 또는 상기 제1 단부로부터 미리 결정된 거리에서 상기 제1 아암으로부터 연장하는 제2 아암, 및 상기 제2 아암의 반대 방향으로 상기 제2 단부에서 또는 상기 제2 단부로부터 미리 결정된 거리에서 상기 제1 아암으로부터 연장하는 제3 아암을 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
3. 제2항에 있어서,

   상기 코어는, 상기 제1 아암에 평행하게 상기 제2 아암으로부터 연장하여 상기 제1 및 제2 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제4 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 코어는, 상기 제3 아암에 평행하게 상기 제1 아암으로부터 연장하여 상기 제1 및 제3 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제5 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 코어는, 상기 제1 아암에 평행하게 상기 제3 아암으로부터 연장하여 상기 제1 및 제3 아암과 함께 U자 모양을 규정하는 제5 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 코어의 상기 제1 아암 주위에 감겨 있는 2차 코일을 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 코어는 단일의 통합 컴포넌트(single integral component)를 포함하는 ICPT 시스템 픽업.
8. ICPT 시스템으로서,

   1차 도전 경로 - 상기 1차 도전 경로는 상기 1차 도전 경로에 교류를 제공하기 위한 파워 소스에 접속가능하고, 상기 1차 도전 경로는 전기 에너지를 공급하는데 이용되며, 상기 1차 도전 경로는 상기 경로를 따라 연장하고 이격되어 있는 제1 및 제2 도전체를 구비함 - ; 및

   자기 투과성 코어 주위에 제공되는 2차 코일 - 상기 2차 코일은 유도 결합을 통해 상기 1차 도전 경로로부터 전기 에너지를 수신하는데 이용됨 - 을 구비한 픽업

   을 포함하며,

   적어도 상기 2차 코일이 상기 1차 도전 경로에 결합될 때, 상기 코어는, 상기 제1 도전체와 상기 제2 도전체 사이에서 연장하고 제1 및 제2 단부를 갖는 제1 아암, 상기 제1 아암에 수직한 방향으로 상기 제1 단부에서 또는 상기 제1 단부로부터 미리 결정된 거리에서 상기 제1 아암으로부터 연장하는 제2 아암, 및 상기 제2 아암의 반대 방향으로 상기 제2 단부에서 또는 상기 제2 단부로부터 미리 결정된 거리에서 상기 제1 아암으로부터 연장하는 제3 아암을 포함하는 ICPT 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 코어는 하나 이상의 추가 아암을 포함하여 상기 코어의 일부가 상기 제1 및 제2 도전체 중 적어도 하나의 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 ICPT 시스템.
10. 제8항에 있어서,

    상기 코어는 하나 이상의 추가 아암을 포함하여 상기 코어의 일부가 상기 제1 및 제2 도전체 모두의 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 ICPT 시스템.
11. 제8항에 있어서,

    상기 코어는, 상기 제1 아암에 평행하게 상기 제2 아암으로부터 연장하여 상기 제1 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제4 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템.
12. 제8항 또는 제11항에 있어서,

    상기 코어는, 상기 제3 아암에 평행하게 상기 제1 아암으로부터 연장하여 상기 제2 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제5 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템.
13. 제8항 또는 제11항에 있어서,

    상기 코어는, 상기 제1 아암에 평행하게 상기 제3 아암으로부터 연장하여 상기 제2 도전체 주위에서 U자 모양을 규정하게 하는 제5 아암을 더 포함하는 ICPT 시스템.
14. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 2차 코일은 상기 코어의 상기 제1 아암 주위에 감겨 있는 ICPT 시스템.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제

Images